Indfangning og styring af lys ved grænsefladen af ​​atomisk tynde nanomaterialer

Lys kan tage del i ejendommelige fænomener på nanoskala. Udforskning af disse fænomener kan låse op for sofistikerede applikationer og give nyttig indsigt i samspillet mellem lysbølger og andre materialer.

I en nylig undersøgelse, forskere ved Cornell University foreslår en ny metode, hvorved lys i nanoskala kan manipuleres og transporteres. Disse specielle lystransportformer er kendt for at opstå ved fint afstemte grænseflader mellem lidt forskellige nanomaterialer. Minwoo Jung, ledende forsker i denne undersøgelse, illustrerer dette koncept gennem en simpel analogi:"Et flydende rør har et hul i midten, men det gør en normal ballon ikke. Uanset hvordan du klemmer den runde ballon, den kan ikke omformes som en doughnut - i hvert fald ikke uden at springe ballonen, genstrikning af gummi, og genindsprøjtning af luften. Dermed, et rør og en ballon er forskellige i deres topologi, fordi de ikke er forbundet gennem en jævn deformation."

Jung forklarer videre, at fysikere har været interesseret i at lime to topologisk adskilte materialer side om side, så det ene fungerer som en ballon og det andet som et rør. Det betyder at, på deres grænseflade, der skal ske en proces, der forbinder disse to materialer, meget som at stikke/poppe/genstrikke/geninjicere fra en ballon til et rør. Under de rette forhold, denne proces kan give anledning til en stærk kanal til transmission af energi eller information langs grænsefladen. Fordi denne proces kan anvendes på lys (som fungerer som en bærer af energi eller information), denne gren af ​​fysikken kaldes topologisk fotonik.

Jung og hans team kombinerede det fascinerende koncept topologisk fotonik med en innovativ teknik, der fanger lys i et atomisk tyndt materiale. Denne metode samlede to hastigt fremvoksende felter inden for anvendt og grundlæggende fysik:grafen nanolys og topologisk fotonik. Jung siger, "Graphene er en lovende platform til lagring og styring af lys i nanoskala og kan være nøglen i udviklingen af ​​on-chip og ultrakompakte nanofotoniske enheder, såsom bølgeledere og hulrum."

Forskerholdet kørte simuleringer, der involverede et grafenark lagt på et nanomønstret materiale, der fungerer som et metagat. Denne honeycomb-lignende metagat består af et solidt lag materiale med huller i forskellige størrelser, centreret ved hjørnerne af sekskanterne. De varierende radier af disse huller påvirker måden, hvorpå fotonerne passerer gennem materialet. Forskerne fandt ud af, at strategisk "limning" af to forskellige metagater skaber en topologisk effekt, der begrænser fotoner ved deres grænseflade i en forudsigelig, kontrollerbar måde.

Forskellige valg af metagate-design demonstrerer det dimensionelle hierarki af enhedens topologi. Specifikt, afhængigt af metagate-geometrien, nanolys kan bringes til at flyde langs endimensionelle kanter af den topologiske grænseflade eller kan topologisk lagres ved nuldimensionelle (punktlignende) hjørner. I øvrigt, metagatet giver mulighed for til- og frakobling af disse bølgeledere eller hulrum. Sådanne batteridrevne topologiske effekter kan gavne den teknologiske indførelse af topologisk fotonik i praktiske enheder.

Jungs team er optimistiske om, at den synergistiske kombination af grafen nanolys og topologisk fotonik vil anspore til fremskridt inden for relevante forskningsområder, som optik, materialevidenskab, og faststoffysik. Deres grafen-baserede materialesystem er enkelt, effektiv, og velegnet til nanofotoniske applikationer:et skridt fremad i at udnytte lysets fulde potentiale.